Sinteza proteinelor este datorata translatiei informatiei genetice!

Translatie = "limbajul" secventei de nucleotide din molecula ARNm este tradus

in "limbajul" unei secvente de aminoacizi.

Sinteza proteinelor

Proteinele au roluri foarte

diversificate: de la cataliza

unor reactii chimice, la

structurarea tuturor

organismelor vii..

Actiunea unei enzime (proteina) in timpul replicarii ADN

https://amit1b.wordpress.com/the-molecules-of-life/about/

Informatia genetica inmagazinata in cromozomi:

- este transmisa celulelor fiice prin replicarea ADN;

- este exprimata in ARN prin transcrierea informatiei genetice;

- este folosita in sinteza proteinelor pornind de la ARNm (translatie)

proteinele = lanturi de aminoacizi

Orice modificare a secventei acizilor nucleici poate determina inserarea incorecta a unui aminoacid in lantul de proteine (mutatie - aparitia unor boli).

Dupa ce sunt sintetizate, numeroase proteine sunt modificate covalent. Astfel

devin active, isi modifica actiunea sau sunt dirijate spre destinatia finala intracelulara

sau extracelulara.

Proteinele sunt cele mai numeroase molecule din structura sistemelor vii,

toate procesele din organism depinzand direct de proteine.

Desi proteinele indeplinesc functii foarte diferite in organism, toate au

structuri primare similare: polimeri liniari de aminoacizi!

In structurile proteice animale s-au identificat 20 aminoacizi din cei 300

existenti.

Toti aminoacizii ce intra in compozitia proteinelor au o grupare carboxil, o grupare

amino primara si o catena laterala distincta, atasata carbonului .

(exceptie: prolina contine o grupare amino secundara).

Aminoacizii

In conditii de pH fiziologic (7,4) gruparea

carboxil este disociata (COO-), iar gruparea amino

este protonata (NH3+).

In structura proteinelor cele mai multe

grupari carboxil si amino sunt angrenate in

complexe peptidice (prin legatura C-N) fiind

capabile sa reactioneze chimic doar pentru a

genera legaturi de hidrogen.

Catena laterala este principalul factor, din

structura unui aminoacid, care determina

proprietatile proteinei.

Aminoacizi cu catene laterale nepolare

Aminoacizi cu catene laterale neutre

Aminoacizi cu catene laterale acide

Aminoacizi cu catene laterale bazice

Fiecarui aminoacid ii sunt asociate o abreviere alcatuita din 3 litere si

un simbol reprezentat de o singura litera.

Simbolurile cu o litera se supun urmatoarelor reguli:

1. Unicitatea initialei

2. Frecventa aparitiei aminoacidului

3. Similitudini fonetice

4. Regula proximitatii alfabetice

Codul genetic

Exista 4 tipuri de nucleotide care intra in alcatuirea codonilor din molecula ARNm:

adenina (A), guanina (G), citozina (C), uracil (U).

Secventele nucleotidice se scriu de la capatul 5' catre capatul 3'.

Exista 64 combinatii diferite de cate 3 nucleotide:

61 codifica cei 20 de aminoacizi esentiali,

3 (UAG, UGA, UAA) sunt codoni "STOP" - indica finalizarea sintezei proteice.

Fiecare proteina incepe cu metionina (AUG), deci codonul AUG este considerat

codonul " START" .

Codul genetic este asemeni unui "dictionar"

reprezentand un sistem de corespondenta intre o

secventa de nucleotide si o secventa de aminoacizi.

Fiecare "cuvant" din acest cod este alcatuit din trei

nucleotide (codon).

ADN → ADN: A → T; T → A; C → G; G → C

ADN → ARN: A → U; T → A; C → G; G → C

Ex: Codonul start (Metionil):

catena1 → catena 2 → ARN

ADN → ADN → ARN

5 ATG 3 → 3 TAC 5 → 5 AUG 3

ARN - proteina ADN - proteina

- Degenerarea:

Un anumit aminoacid poate fi codificat de mai multe triplete de nucleotide

(exemplu: arginina este codificata de 6 codoni diferiti;

Exceptie: metionina!!!

- Nesuprapunerea si lipsa punctuatiei:

Codul este citit dintr-un punct fix, ca o secventa continua de baze in grupuri

de cate 3 nucleotide care nu sunt separate prin virgule.

Caracteristicile codului genetic

- Specificitatea:

Un codon semnifica totdeauna acelasi

aminoacid!

- Universalitatea:

Codul genetic este acelasi din cele mai

timpurii stadii ale evolutiei

Exceptie: codul genetic mitocondrial

- Mutatie cu sens gresit:

Codonul care contine un nucleotid modificat codeaza un aminoacid diferit

(exemplu: UCA → CCA serina → prolina)

- Mutatie nonsens:

Codonul care contine un nucleotid modificat este un codon nonsens

(exemplu: UCA → UAA serina → STOP)

Consecintele modificarii secventelor de

nucleotide

Modificarea unui singur nucleotid in lantul

ARNm duce la:

- Mutatie silentioasa:

Codonul care contine un nucleotid modificat

codeaza acelasi aminoacid

(exemplu: UCA → UCU serina → serina)

Alte mutatii (cele mai grave!)

- Amplificarea tripletelor repetitive:

O secventa de 3 nucleotide care se repeta poate fi amplificata numeric (vor

aparea prea multe copii ale tripletului respectiv).

- Mutatiile de la nivelul sinusurilor de splicing:

Se modifica modul in care intronii sunt indepartati, avand drept rezultat

sinteza unor proteine aberante!

- Mutatiile "cadrului de citire":

Intr-o regiune codanta se suprima sau se insera unul sau doua nucleotide.

Rezulta o secventa de aminoacizi complet diferita, sau lantul peptidic va fi

scurtat din cauza formarii unui codon terminal.

proteina normala

Insertion Deletion

THE FAT CAT ATE THE RAT THE FAT CAT ATE THE RAT

THE FAT HCA TAT ETH ERA T TEF ATC ATA TET GER AT

- Aditia sau stergerea a 3 nucleotide:

Desi se pastreaza cadrul de citire, introducerea/pierderea unui aminoacid poate

duce la aparitia unor boli grave .

Ex: in fibroza chistica se pierde fenilalanina din pozitia 508.

Mutatia (F508) impiedica plierea normala a proteinei, ceea ce determina

distrugerea acesteia de proteazomi. Lipsa proteinei determina producerea de secretii

vascoase in plamani si pancreas.

Aminoacizi: toti aminoacizii ce formeaza o proteina trebuie sa fie prezenti in

celula in momentul sintezei proteice.

Daca un aminoacid lipseste (dieta deficitara) sinteza se opreste la codonul ce

specifica aminoacidul respectiv!

ARN mesager: molecula (purtatoare de informatie genetica) care are rol de

matrita pentru structura proteinelor.

La sinteza unei proteine participa:

Ribozomii: locul in care are loc sinteza proteica

Factori proteici: cu rol de initiere, elongare

si terminare. Unii au functie catalitica in timp ce

altii stabilizeaza mecanismul de sinteza.

ARN de transfer: pentru fiecare aminoacid este necesar cel putin un tip specific de

ARNt (in organismul uman exista 50 molecule ARNt diferite).

Fiecare molecula ARNt are un situs de legare la capatul 3', pentru aminoacidul

specific (secventa -CCA). Aminoacidul care se leaga de molecula ARNt este

considerat activat.

Fiecare molecula ARNt contine o secventa de 3

baze nucleotidice - anticodonul - care recunoaste un

codon specific de pe ARNm. Acest codon specifica

insertia aminoacidului transportat de ARNt la nivelul

lantului peptidic.

- Aminoacil-ARNt-sintetazele: o familie de enzime necesara pentru legarea

aminoacizilor de moleculele ARNt corespunzatoare

ATP (adenozin trifosfat) si GTP (guanozin trifosfat) (molecule folosite ca sursa de

energie!). In procesul de adaugare a unui aminoacid se consuma energia provenita din

clivarea a 2 legaturi din molecula ATP si doua legaturi din molecula GTP.

Cuplarea corecta a codonului din ARNm cu anticodonul din ARNt este

esentiala pentru translatia corecta. Cuplarea codon-anticodon respecta principiile de

complementaritate si antiparalelism.

Secventa de nucleotide (atat a codonilor cat si a anticodonilor) trebuie sa fie

TOTDEAUNA specificata in directia 5'-3'.

Codonul din ARNm este "citit" in directia 5'-3', de un anticodon ce e desfasurat in

directia inversa (3'-5')

Cuplarea codon - anticodon

Cuplarea codon - anticodon traditionala: se respecta principiul complementaritatii

Ipoteza pendulului: unele molecule ARNt recunosc mai

mult de un codon pentru un anumit aminoacid.

Se presupune ca baza de la capatul 5' al

anticodonului (prima) nu e foarte bine definita spatial,

miscarea acesteia permitand imperecheri neobisnuite cu

baza 3' a codonului (ultima).

Aceasta miscare (pendulara) permite ca un singur

ARNt sa recunoasca mai mult de un codon.

Deci nu mai sunt necesare 61 de specii ARN

pentru a citi cei 61 de codoni care codifica aminoacizii.

Etapele sintezei proteice: initiere

elongare

terminare

Initierea

Este dictata de codonul initiator AUG (metionina). Acesta

este recunoscut de un ARNt initiator special.

Elongarea

Implica adaugarea de aminoacizi la capatul carboxil al lantului aflat in formare.

In timpul elongarii ribozomii se deplaseaza de la capatul 5' spre capatul 3' al

moleculei ARNm care este transcrisa.

Dupa ce s-a format legatura peptidica (catalizata de enzima peptidil-transferaza),

ribozomul avanseaza cu 3 nucleotide.

Terminarea

Are loc atunci cand unul din cei 3 codoni stop

ajunge in situsul ribozomal.

Codonul "stop" este recunoscut de un factor

de eliberare (RF - release factor) care determina

peptidil-transferaza sa elibereze proteina nou

sintetizata.

Lanturile polipeptidice pot sa sufere modificari post-translationale (indepartarea unei

parti a secventei transcrise, fosforilarea, glicolizarea, hidroxilarea, etc)

Proteinele defecte sunt marcate prin atasarea unei proteine mici numita

ubiquitina.

Proteinele astfel marcate sunt degradate rapid de catre "proteazomi" (organite

complexe localizate in citosol).

Structura proteinelor

Complexitatea structurala a proteinelor poate

fi analizata prin evidentierea celor patru nivele de

organizare:

- structura primara

- structura secundara

- structura tertiara

- structura cuaternara

Anumite elemente structurale se repeta intr-o mare

varietate de proteine → exista "reguli" generale referitoare la

modul de pliere a moleculelor proteice.

Structura primara a proteinelor este data de secventa liniara de aminoacizi ce

formeaza polipeptidul. Aminoacizii sunt uniti prin legaturi peptidice de tip covalent

Legatura peptidica = punte amidica intre

gruparea carboxil a unui aminoacid si gruparea amino a

aminoacidului urmator.

Legaturile peptidice nu pot fi desfacute de

factorii ce pot sa denatureze proteinele (caldura,

concentratii crescute de uree). Pentru a desface aceste

legaturi este necesata expunerea prelungita la un acid

sau o baza tare si la temperatura crescuta.

Prin conventie, capatul amino liber al

peptidului (capatul N-terminal) este scris totdeauna in

stanga, iar capatul carboxil liber (capatul C-terminal) in

dreapta.

Secventele de aminoacizi se citesc dinspre

capatul N-terminal spre capatul C-terminal (de la

stanga la dreapta!).

Pentru a denumi un polipeptid, se schimba sufixele resturilor de aminoacizi (-ina, -an,

-ic sau -at) in -il (cu exceptia capatului terminal).

Legatura peptidica se comporta partial

ca o legatura dubla (mai scurta ca o legatura

simpla), este rigida si plana.

Rotatia libera in jurul legaturii peptidice

este impiedicata datorita rigiditatii legaturii

peptidice,

Legaturile din interiorul aminoacizilor

(dintre atomii de carbon si gruparile -amino

sau -carboxil) se pot roti liber, ceea ce

determina o mare varietate de configuratii

posibile.

Legatura peptidica este in general o

legatura de tip trans (nu cis!).

Gruparile -C=O si –N-H din legatura peptidica:

- sunt grupari neutre, deci nu accepta si nu cedeaza protoni.

- sunt grupari polare, capabile sa formeze legaturi de hidrogen (punti de hidrogen)

(exemplu: in cazul helixurilor si a lanturilor se formeaza punti de H).

Structura secundara a proteinelor: reprezinta

structura tridimensionala, data de aranjamentul regulat

al aminoacizilor.

Structurile secundare cel mai des intalnite in

constitutia proteinelor sunt: -helix (elicea ), -sheet

(foile ) si -turn / - bend (pliurile ).

-helix este o structura spiralata elicoidala,

constituita dintr-un schelet polipeptidic central, strans

impachetat, rasucit. Catenele laterale ale

aminoacizilor sunt orientate in exteriorul axului central.

Stabilitatea structurii -helix este data de

numarul mare de legaturi de hidrogen realizate intre

atomul de oxigen al gruparii carbonil (C=O) si atomul

de hidrogen din gruparea -NH al altei legaturi

peptidice aflate la distanta de 3 sau 4 aminoacizi

consecutivi.

Fiecare spira a unui -helix contine un numar

de 3,6 aminoacizi.

-sheet este o structura in care toate componentele

legaturilor peptidice participa la formarea legaturilor de hidrogen.

Suprafata foilor pare pliata.

Pentru ilustrarea structurii proteinelor, foile sunt

reprezentate sub forma unor sageti groase.

Legaturile de hidrogen sunt perpendiculare pe scheletul

polipeptidic.

Conformatia -sheet este alcatuita din segmente de

lanturi polipeptidice orientate fie paralel, fie antiparalel.

Legaturile de hidrogen formate intre scheletele axiale ale

celor doua lanturi se numesc legaturi intercatenare.

Conformatiile de tip -helix si -sheet permit realizarea

unui numar maxim de legaturi de hidrogen intre componentele

legaturilor peptidice din interiorul polipeptidelor.

-turn inverseaza directia de rotatie a unui lant polipeptidic, usurand

adoptarea unei forme globulare compacte.

Structura -turn e formata din 4 aminoacizi, dintre care unul e prolina

(genereaza deformarea lantului polipeptidic).

Stabilizarea pliurilor -turn se face prin legaturi de hidrogen si prin legaturi

ionice.

Exista si zone ale proteinelor fara

structura: “random coil” !

Structura tertiara a proteinelor globulare se refera la formarea

domeniilor prin plierea in continuare a lantului peptidic (gruparile

secundare) pana la obtinerea aranjamentul final.

Interactiunile dintre catenele laterale ale aminoacizilor

influenteaza modul de pliere al lantului polipeptidic in forma

tridimensionala specifica a proteinei functionale.

Plierea proteinelor se desfasoara in decurs de cateva

secunde sau minute, in interiorul celulelor.

In procesul plierii, catenele laterale sunt atrase sau

respinse in functie de proprietatile chimice ale acestora.

Procesul de pliere este influentat si de legaturile de

hidrogen, interactiunile hidrofobe si legaturile disulfidice.

Proteina ajunge sa aiba acea structura in care procesele

de atractie sunt mai puternice decat cele de respingere.

Se obtine o proteina cu incarcatura electrica redusa!

Denaturarea proteinelor determina deplierea si

dezorganizarea structurilor, dar nu produce hidroliza

legaturilor peptidice.

In solutie apoasa, structura proteinelor globulare este compacta, cu o mare

densitate de atomi in centrul moleculei.

Catenele laterale hidrofobe sunt dispuse in interiorul moleculei, in timp ce

gruparile hidrofile se gasesc, in general, pe suprafata moleculei.

Domenii le reprezinta unitati functionale si structurale tridimensionale

fundamentale ale polipeptidelor.

Lanturile polipeptidice cu un numar mai mare de 200 de aminoacizi contin,

de regula, doua sau mai multe domenii.

Fiecare domeniu are caracteristicile unei

proteine globulare mici, compacte, care din punct de

vedere structural este independenta de restul

domeniilor.

Structura tertiara a proteinelor este stabilizata prin:

legaturi disulfidice,

interactiuni hidrofobe,

legaturi de hidrogen,

interactiuni ionice.

Stuctura cuaternara a proteinelor reprezinta aranjamentul spatial al

subunitatilor (domeniilor) polipepditice

Proteine polimerice: sunt alcatuite din doua sau mai multe lanturi polipeptidice

(identice din punct de vedere structural, sau complet diferite

Proteine monomerice (cele mai numeroase): nu au structura cuaternara

deoarece contin un singur lant polipeptidic

Exemplu: hemoglobina e formata din patru subunitati.

Atasarea unui atom de oxigen la una din subunitatile

tetramerului hemoglobinic, duce la cresterea afinitatii

pentru oxigen a celorlalte subunitati.

Subunitatile sunt legate prin legaturi necovalente (legaturi de hidrogen,

legaturi ionice, interactiuni hidrofobe). Ele pot functiona independent unele de

celelalte, sau pot coopera.

Key point about protein!!

All proteins have specific shapes that are best suited for their function(s)

Strategic locations of amino acid residues, with different physical and chemical

properties (side-chains), enable proteins to perform a variety of different functions

in the cell.

Small globular proteins (made of one single polymer chain) present in the

cytoplasm or secreted by the cell, have their hydrophobic amino acid residues

tucked in the core of the protein.

Larger protein complexes (formed from multiple copies of the same or different

proteins) may have protein chains with interfaces that have hydrophobic amino

acids. These proteins chains seek out and bind to partner proteins with

complimentary interfaces and form functional assemblies.

In proteins that are composed of multiple domains, connected with flexible linker

regions, scientists often selectively study regions or domains of the protein that are

structurally stable and functionally important. The PDB archive may have multiple

structures of one or more domains of the protein. To get a sense of how all these

parts (domains) may work together, some of the domains of specific proteins have

been shown next to each other in the Molecular Machinery interactive to represent

the complete molecule. However, the actual structure of the complete protein may

be slightly different from these composite presentations.

http://mm.rcsb.org/

Transport (pompa de Ca)

Depozitare

(ferritin)

Enzima

(amilaza) Comunicare

(insulina) Aparare (anticorp)

Structura

(collagen)

ARN → aminoacizi

P1.

Un barbat in varsta de 20 ani cu anemie, este diagnosticat cu un tip anormal de

-globina alcatuita din 172 de aminoacizi in loc de 141 cat contine poroteina

normala.

Ce se intampla in fiecare din urmatoarele mutatii?

Care dintre urmatoarele mutatii punctiforme reflecta aceasta anomalie?

A. UAA → CAA

B. UAA → UAG

C. CGA → UGA

D. GAU → GAC

E. GCA → GAA

A. Mutatia codonului stop (UAA) in CAA determina insertia unei glutamine in acel

punct. Astfel lantul proteic va continua sa se alungeasca pana cand va ajunge la

urmatorul codon stop, determinand aparitia unei proteine anormal de lungi.

B. Modificarea de la UAA la UAG schimba un codon stop cu altul, deci nu

afecteaza proteina.

C. Modificarea de la CGA (arginina) la UGA (stop) determina aparitia unei proteine

prea scurte.

D. Mutatia GAU (arpartan) la GAC (aspartan) nu afecteaza proteina.

E. Mutatia GCA (alanina) la GAA (glutamat) modifica proteina, dar fara sa ii

schimbe dimensiunea.

UAA → CAA

UAA → UAG

CGA → UGA

GAU → GAC

GCA → GAA

P2.

La un pacient cu fibroza chistica determinata de mutatia F508, proteina

reglatoare a conductantei transmembranare a fibrozei chistice (CFTR) se pliaza

incorect, fiind o proteina mutanta. La nivel celular, aceasta proteina anormala

este marcata prin atasarea moleculelor de ubiquitina. Care este soarta acestei

proteine marcate?

A. Isi indeplineste functia normala, deoarece ubiquitina corecteaza in mare

masura efectul mutatiei.

B. Este secretata din celula

C. Este depozitata in vezicule de secretie

D. Este degradata de proteazomi

E. Este reparata de enzimele celulare

Prin atasarea ubiquitinei sunt marcate proteinele imbatranite, defecte

sau pliate gresit pentru a fi distruse de catre proteazomi.

Nu se cunoaste nici un mecanism celular pentru repararea proteinelor defecte!

P3.

Translatia unui poliribonucleotid sintetic ce contine secventa repetitiva

CAA intr-un sistem de sinteza proteic in vitro produce 3 homopolipeptide:

poliglutamina, poliaspargina si politreonina.

Tinand cont de faptul ca CAA si AAC sunt codonii pentru glutamina,

respectiv asparagina, care dintre urmatoarele triplete reprezinta codonul pentru

treonina?

A. AAC

B. CAA

C. CAC

D. CCA

E. ACA

Secventa polinucleotidica sintetica CAACAACAACAACAA ... ar

putea fi citita incepand de la prima litera C, prima litera A sau a doua litera A.

In primul caz se obtine codonul CAA care codifica glutamina,

In cel de-al doilea se obtine codonul AAC care codifica asparagina

In ultimul caz se obtine codonul ACA care codifica treonina.

P4.

Ce aminoacid este transportat spre ribozom de catre molecula ARNt care

are secventa anticodon:

a) 5' UUC 3'?

b) 5’-AAA-3’?

P5.

Stiind ca viteza de sinteza proteica este limitata de sinteza ARNm, iar ARNm

este sintetizat cu o viteza de 50 nucleoni/sec, care este viteza maxima a

sintezei proteice?

P6.

O molecula ARNm incepe cu urmatoarea secventa de nucleotide:

5' UGGGGUUAAUGUUGAUGGUAUGCAUU 3'

Care este secventa de aminoacizi a proteinei sintetizate?

(translatia ARNm incepe la primul codon AUG)

P7.

Mai jos gasiti secventa ADN (dublu-catenara) a genomului drojdiei. Transcriptia

incepe la "Transcription Start Site" (TSS) dupa promoter (galben), si are loc in

directia sagetii. Transcriptia se opreste la sfarsitul zonei "Transcription Terminator"

(albastru). Catena ADN matrita este catena de jos.

a) Care este secventa ARNm produsa de aceasta gena? (notati capetele 5’ si 3’.

b) Care este secventa de proteina produsa de ARNm de la punctul (b). (notati

capetele N si C.

c) Presupunem ca a aparut o mutatie in cadrul careia

imediat dupa perechea de baze T-A (bold) s-a

adaugat inca o pereche de baze T-A (sus-jos).

Determinati noua secventa ARNm obtinuta prin

transcriptie si noua secventa de proteina obtinuta

prin translatie?

a)

b) Codonul start este "AUG"

lantul de aminoacizi obtinut este:

c)

Fiecare macromolecula este un polimer format din

molecule mici (monomer) legate prin legaturi covalente:

Compozitia unei celule animale

este asemanatoare cu cea a unei

celule ce provine de la o bacterie.

Compozitia unei celule

http://www.youtube.com/watch?v=Ikq9AcBcohA

http://www.wiley.com/college/boyer/0470003790/animations/translation/translation.htm

Interactiv:

structura proteinei:

Quiz:

http://www.biology.arizona.edu/molecular_bio/molecular_bio.html

http://www.biology.arizona.edu/molecular_bio/problem_sets/nucleic_acids/nuc

leic_acids_1.html

http://www.biology.arizona.edu/molecular_bio/problem_sets/mol_genetics_of_

eukaryotes/eukaryotes.html

Tutorial:

http://biology.kenyon.edu/courses/biol114/Chap05/Chapter05.html

Games:

http://www.yourgenome.org/dgg/detailed/cell/cell_3.shtml

http://learn.genetics.utah.edu/content/begin/dna/transcribe/

http://www.yourgenome.org/dgg/detailed/cell/cell_3.shtml

http://www.rcsb.org/pdb/101/static101.do?p=education_discussion/educational_res

ources/index.html#Posters-Exhibits